函数发生器课程设计文档.doc

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1、模拟电子技术课程设计说明书 函数信号发生器 学生姓名： 指导教师： 专 业： 班 级： 完成时间 摘 要 在我们的学习生活中，尤其是电器类学习中经常用到函数信号发生器，我们一般只会用到其中几种比较常见的波，例如正玄波，方波，三角波。其实它还能产生很多的其它的波形，而其中很多波对我们的电子电路等的研究有比较大的作用，所以我们掌握它的设计方法以及原理有很大的实际意义。本设计以IC8038核心器件制作的一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波

2、等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。 函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038就是一种技术上

3、很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。关键词： ICL8038；波形；原理图；常用接法；函数信号发生器ABSTRACTFunction signal generator according to different purposes, a function generator to produce three or more kinds of waveforms, devices used in circuit can be a separation device, and can also be integrated device, gen

4、erates a square wave, sine wave, triangle wave, a variety of programs, such as to generate sine wave, according to the function of some non sine wave and sinusoidal periodic which is determined by the shaping circuit, the sine wave into a square wave, the integral circuit to turn it into a triangle

5、wave. You can also generate triangle wave, square wave, triangle wave, square wave and sine wave or into. With the rapid development of electronic technology, emerge in an endless stream of new materials and new devices, the development of new type of function signal generator, devices can be select

6、ively increased substantially, for example ICL8038 is a technically mature can produce sine wave, square wave, the main chip of the triangular wave. So, can choose the variety, technology is feasible.Keywords: ICL8038；waveform；schematics；commonly used method；function signal generator目 录1 绪论1 1.1 简易信

7、号发生器简介1 1.2 项目可行性研究12 方案论证2 方案一2 方案二2 方案三3 方案四33 理论分析与设计方案的建立4 3.1 ICL8038工作原理4 3.2 ICL8038组成函数发生器的应用64 电路设计说明7 4.1 电路原理图7 4.2 电路PCB图7 4.3 原理说明8 4.4 电路参数的选择9 4.5 结果分析9 4.6 总结105 实验数据及分析11结束语15参考文献16附录171 绪论1.1 简易信号发生器简介函数信号发生器，也叫简易信号发生器，它能输出稳定的正弦波、三角波、方波，且输出频率在100Hz1KHz范围内连续可调, 输出电压幅度在05V连续可调，由正负12V

8、直流稳压电源供电。它由振荡电路，比较器，积分器，反相器等基本电路组成的，通过调节电容或者电阻改变波形的频率和幅值。本课题设计对函数发生器的几个设计方案进行了分析比较，最终采用芯片ICL8038构成函数信号发生器电路，LM358构成放大电路,可同时输出符合要求的方波、三角波和正弦波，频率调节范围大，正弦波失真小，制作简单，价格低廉，使用方便。1.2 项目可行性研究函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路

9、将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。 2 方案论证方案一可先产生方波-三角波，再将三角波变成正弦波。如下框图所示。 图2-1 由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特

10、别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。方案二 此方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。文 氏电 桥正弦波比较器积分器方波三角波图2-2这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化

11、。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。方案三用单片集成芯片IC8038实现，此方案要求幅度和频率都可调，可由电位器加放大器实现。它是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波，方波，三角波等，其振荡频率可以通过外加电容进行调节。利用8038芯片的优点十分明显如下 集成度比较高，输出稳定； 构成的电路简单，所用的元件少，经济实惠； 函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器； 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50PPm；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意

12、可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V。方案四用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现。如采用一片AT89S51单片机和DAC0832数模转换器组成的智能数字式低频信号发生器。按用户的需要，选择运行不同的程序，将会得到不同的波形信号。再在 DAC0832 输出端加上一些电压变换电路以及放大整形电路，就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。考虑到实验电路的简单及其稳定性，我们用集成芯片IC8038来实现信号发生器的设计。3 理论分析与设计方案的建立3.1 IC 8038的工作原理 采用IC8038集成电路，它的内部结构和管脚图图如下图3-1和图3-2所示图3-1 ICL80

13、38内部原理电路框图 图3-2 8038管脚图管脚说明：1. 正弦波线性调节；2. 正弦波输出；3. 三角波输出；4. 恒流源调节；5. 恒流源调节；6. 正电源；7. 调频偏置电压；8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容；11. 负电源或接地；12. 正弦波线性调节； 13、14. 空脚在图3-1中，由手册和有关资料可看出，外接电容C由两个恒流源充电和放电，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触

14、发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得，并从管脚3输出。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的

15、充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波等不同的波形。3.2 ICL8038组成函数发生器的应用由图3-2可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是(VCC+VEE/5) ，它可作为管脚8的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10k左右，如图3-3所示。当电位器RP2动端在中间位置，并且图中管脚8与

16、7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f约为0.3/C(R1+RP2/2) 。调节RP2、RP3可使正弦波的失真达到较理想的程度。在图3-3中，当RP2动端在中间位置，断开管脚7与8之间的连线，若在+VCC与-VEE之间接一电位器，使其动端与8脚相连，改变正电源+VCC与管脚8之间的控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，因此该电路是一个频率可调的函数发生器。图3-3 电路图4 电路设计说明4.1 电路原理图 由以上理论分析及技术指标可设计ICL8038组成的函数发生器电路设计原理图如下图4-1所示： 图4-1 简易信号发生器电路原理图在电路设计的提高部分

17、我们增加了调幅电路。4.2 电路PCB图 生成PCB图如下：图 4-2 简易信号发生器PCB图4.3 原理说明 由图3-1和图3-3及8038的原理结构可以知道，通过改变电容可以调节整个波形的频率范围，这是粗调，相对而言，调节RP3可是达到某个频率，这是细调。7脚和8脚短接可以使频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由R1、R2和C决定，其频率为f，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。所以 T1f t1t2由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的13倍，分得的时间为：t1=CV/I=(C+1/3V ccR1)/(1/5V cc)=5/3R1C 在电

18、容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为：t2CVI（C13V cc）（25VccR215V ccR1） （35R1R2C）（2R1R2）f1（t1t2）35R1C1R2（2R1R） 如果R1R2，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10R1C）。按照设计要求，方波VP-P24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V，在8038的2、3、9脚后面接调幅电路。可以通过选择拨码开关实现，双运放LM358芯片组成放大电路，调节RP4和RP5改变比例系数来实现电压的放大。4.4 电路参数的选择 通过以上分析，可以选取以下元件的值来实现设计要求。R1=R2=R3=10K R

19、4=30K R5=R6=R7=R8=5.1KC1=C2=0.1uF C3=4700PF C4=0.01uFRP1=100K RP2=1K RP3=RP4=RP5=10K 放大环节采用LM358集成运放1个C1：C1为滤波电容，其取值视8脚的波形而定，主要用来消除8脚的的寄 生交流电压，若含高次谐波成分较多，则C1一般为几十皮法至0.1uF。在这里我们选用0.1uF。 C2、C3、C4、R1、R1、RP2：电阻R1和R2及电容C构成调频回路。因为输出频率为100Hz-1KHz,1KHz-10KHz,所以取C2=0.1uF,C3=4700PF,C4=0.01uF，RP2=1 K，R1=R2=10K

20、。 R3：方波输出端为集电极开路形式，一般在正电源与9脚之间接一电阻，其值通常取R3=10K。 RP3及R4：电阻R1及电位器RP3用来确定8脚的直流电位V8，通常取V82/3VCC。这里取R4=30K， RP3=10K。 RP1及RP2：RP1及RP2用来用来改善正弦波的正负向失真及调节正弦波及三角波的幅度。这里取RP1=100K。4.5 结果分析 比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。电位器RP1与RP2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。微调RP1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续

21、可变。 方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。实验中适当添加一个放大电路以达到课设要求。4.6 总结 本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。 当然，在设计

22、中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。5 实验数据及其分析 在检测实验成品的性能过程中 ，我们考虑到某些频率段的失真度比较大。故只用两个主要的频率段进行测量和分析.在示波器中，其中的波形幅值分两种档位：10和1。 数据波形频段选择C=4700PF(f=1k10kHz)C=0.1F(f=1001kHz)档位 10 1三角 波f（频率）2.97kHz149.7HzVP-P2.88V3.92VVmax1.48V1.99VVmin-1.4

23、0V-1.93V方波f（频率）2.97kHz149.7HzVP-P12.2V8.48VVmax6.28V4.48VVmin-6.00V-4.00V正弦波f（频率）2.857kHz149.7HzVP-P1.38V2.73VVmax740mV1.25VVmin-640mV-1.48V在数据的测试当中，我们可以看出正弦波的失真度比较大，在测频率1k10kHz时，整个电路所测出的波形都有很大的失真。 结束语 通过本篇论文的设计，使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功

24、能完备。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。通过这次课程设计，让我的理论联系实际能力、设计电路能力、实际操作能力以及正确的处理数据、分析和综合实验结果，检查和排除故障的能力有了大大的提高，并且巩固了我的理论知识，起到了双重效果。通过这次课程设计，让我知道了怎样画PCB图。在制板过程中需要耐心，在焊接其电路图时更要特别小心。要想做出一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，三极管引脚的判定以及电阻值的判定。其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题，应该以作为一个工程人员应用的素

25、质去面对，发现问题，解决问题。在实验时应保持冷静，测试有条理。遵循物质客观规律，不随便改写实验数据。其三，自己平时要多动手、多动脑，这样当问题来临时你就不会手忙脚乱。该多画就多画些，比如，那些PCB板的制作就应该多画些。以便能增加你对该软件的熟练度。用起来称心如意，这样就不会浪费时间。再如，在焊接导线时，应区别不同类型的导线用不同类型的焊接方法及焊接的先与后顺序。其四，要注意试验安全，不要轻易地尝试不安全接法。在做设计时必须讲求产品的实用性及美观性。这就要求我们对所需器件进行合理布置。团结就是力量，在做设计的过程中我们必须讲究团队精神。这样就能起到事半功倍的作用。面对一个课题必须严肃而认真地对待，作为一名电类专业的学生必须多参加一些动手制作活动来提高自己的动手能力。参考文献1 童诗白主编模拟电子技术基础（第三版）北京：高教出版社2谢自美主编电子线路设计.实验.测试武汉：华中科技大学出版社3 模拟电子技术胡宴如 主编 高等教育出版社4于卫模拟电子技术实验及综合实训教程武汉：华中科技大学出版社5陈兆仁电子技术基础实验研究与设计北京：电子工业出版社附录一 材料清单附录二 实物图附录三 原理图附录四 PCB图